Закрученный футбольный мяч или шарик для настольного тенниса способен внезапно уйти в сторону от ожидаемой траектории. Физики впервые экспериментально обнаружили квантовый оптический аналог знакомого спортивного эффекта Магнуса. Вместо летящего по дуге атома исследователи увидели боковое смещение области, где лазерный свет сильнее всего взаимодействует с одиночным ионом. Открытие может повлиять на точность управления кубитами в квантовых компьютерах.
Международная группа из Института Пауля Шеррера, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Амстердамского университета направила сильно сфокусированный лазерный луч на одиночный ион кальция, удерживаемый почти неподвижно электромагнитными полями в ионной ловушке. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Теоретически оптический эффект Магнуса предсказали несколькими годами ранее, однако экспериментально увидеть и подробно исследовать явление удалось впервые.
В обычной механике эффект Магнуса возникает при вращении тела во время движения через воздух или другую среду. Вращение создает разницу давлений и заставляет мяч отклоняться в сторону. Футболисты используют эффект при закрученных ударах, а игроки в настольный теннис меняют с помощью вращения направление полета мяча. В квантовом эксперименте ион никуда не летел: аналогом отклонения стало поперечное смещение профиля взаимодействия между светом и атомом.
На первый взгляд максимальное взаимодействие должно возникать точно в центре лазерного луча, где интенсивность света максимальна. Сильная фокусировка, однако, усложняет пространственную структуру электромагнитного поля. В луче появляются продольные компоненты электрического поля и поперечные градиенты поляризации. Возникающее спин-орбитоподобное взаимодействие света приводит к зависящему от спина поперечному смещению области максимального взаимодействия с ионом.
Для эксперимента физики использовали одиночный ион кальция-40 Ca⁺ и исследовали квадрупольный переход при помощи сильно сфокусированного лазера. Ученые перемещали положение иона относительно луча и измеряли силу взаимодействия в разных точках, фактически используя заряженный атом как наноскопический датчик структуры света. Дополнительные фазочувствительные измерения позволили исследовать градиенты поляризации и построить пространственные карты для нескольких конфигураций лазерного луча.
Максимум эффективного взаимодействия смещался поперек луча на несколько сотен нанометров. Эксперимент выявил особенно необычную закономерность: величина смещения определялась длиной волны света и не зависела от того, насколько сильно исследователи фокусировали лазер. Такое поведение соответствует теоретическим предсказаниям оптического эффекта Магнуса.
Результат имеет прямое отношение к квантовым вычислениям. Захваченные ионы могут выступать кубитами, а сфокусированные лазеры позволяют выборочно менять квантовое состояние отдельных частиц. Незамеченное боковое смещение области взаимодействия способно нарушать точность лазерного управления и становиться дополнительным источником ошибок. Разработчикам высокоточных квантовых систем придется учитывать подобные непараксиальные эффекты при работе с сильно сфокусированным светом.
У оптического эффекта Магнуса есть и потенциально полезная сторона. Возникающие силы можно использовать для связывания взаимодействий между кубитами и реализации более сложных квантовых операций. Авторы работы связывают полученные результаты с поляризационно-градиентными взаимодействиями, перспективными для квантового управления с помощью оптических пинцетов. Экспериментальная демонстрация тем самым показывает одновременно новый источник систематических ошибок и физический механизм, который в перспективе может пригодиться при разработке квантовых процессоров.